KR20120094804A - Cathode active material, energy storage apparatus including the same and method manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 양극 활물질, 이를 포함하는 에너지 저장장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열적(고온) 특성을 향상시킨 리튬 금속산화물을 포함하는 양극 활물질, 이를 포함하는 에너지 저장장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a positive electrode active material, an energy storage device including the same, and a method for manufacturing the same, and more particularly, a positive electrode active material including a lithium metal oxide having improved thermal (high temperature) characteristics, an energy storage device including the same, and a manufacture thereof It is about a method.
슈퍼캐패시터(supercapacitor)는 그 사용되는 전극의 종류에 따라서 전기이중층 캐패시터(Electric Double Layer Capacitor; EDLC)와 의사캐패시터(Pseudocapacitor)로 구분할 수 있다. 전기이중층캐패시터는 양극와 음극을 모두 활성탄을 사용하여 양전극에서 모두 전기이중층을 형성하여 이에 의한 축전현상으로 에너지를 저장하는 캐패시터를 말한다. 의사캐패시터는 양극으로는 리튬2차전지에서 사용되는 금속산화물을 사용하고 음극으로는 전기이중층 캐패시터에서 사용되는 활성탄을 사용하는 캐패시터를 말하며, 이를 하이브리드 캐패시터라고도 한다.Supercapacitors can be classified into Electric Double Layer Capacitors (EDLC) and Pseudocapacitors according to the type of electrode used. An electric double layer capacitor refers to a capacitor which stores energy in the storage due to the formation of an electric double layer at both electrodes using activated carbon in both the positive electrode and the negative electrode. The pseudocapacitor refers to a capacitor using a metal oxide used in a lithium secondary battery as an anode and an activated carbon used in an electric double layer capacitor as a cathode, which is also called a hybrid capacitor.
전기이중층캐패시터의 경우에는 축전 및 방전이 전위에 따른 이온의 물리적 탈?흡착에 의해서 발생하기 때문에 반응속도가 상당히 빠르고 충방전 수명이 매우 긴 반면에, 저장용량(storage capacity)이 작다는 단점이 있다. 이에 비해 하이브리드 캐패시터는 양극은 2차전지에서 사용되는 전극재료를 사용하고, 음극에는 전기이중층이 형성될 수 있는 물질을 사용함으로써, 저장용량이 적은 전기이중층캐패시터와 사이클 수명과 출력밀도(power density)에 한계가 있는 2차전지의 약점을 극복하고자 하는 에너지 저장장치이다.In the case of the electric double layer capacitor, since the electrical storage and discharge are caused by the physical desorption and absorption of ions according to the potential, the reaction rate is considerably fast and the charge and discharge life is very long, while the storage capacity is small. . In comparison, the hybrid capacitor uses the electrode material used in the secondary battery as the positive electrode and the material capable of forming the electric double layer at the negative electrode. Thus, the electric double layer capacitor with low storage capacity, cycle life and power density are used. It is an energy storage device that attempts to overcome the weaknesses of secondary batteries that have limitations.
그런데 양극으로 사용되는 금속산화물이 고온(약 60℃)에서 안정하지 못하여 분해가 되어 금속산화물을 구성하는 금속원자가 석출되어 용량이 저하되고, 하이브리드 커패시터, 이차전지 등의 수명을 단축시키는 문제점이 존재한다.
However, since the metal oxide used as the anode is not stable at high temperatures (about 60 ° C.), it is decomposed to precipitate metal atoms constituting the metal oxide, resulting in a decrease in capacity and shortening the lifespan of hybrid capacitors and secondary batteries. .
본 발명의 목적은 리튬 금속산화물의 내열성을 향상시키고, 수명을 향상시킬 수 있는 양극 활물질, 이를 포함하는 에너지 저장장치 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide a cathode active material, an energy storage device including the same, and a method of manufacturing the same, which can improve the heat resistance of a lithium metal oxide and improve the lifetime thereof.
본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질은 리튬 금속산화물 및 상기 리튬 금속산화물의 결정립계에 존재하는 단성분계 금속산화물을 포함한다.The cathode active material according to an embodiment of the present invention includes a lithium metal oxide and a monocomponent metal oxide present at grain boundaries of the lithium metal oxide.
상기 리튬 금속산화물은 코발트(Co), 망간(Mn), 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 갈륨(Ga) 또는 텅스텐(W) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The lithium metal oxide may be cobalt (Co), manganese (Mn), nickel (Ni), iron (Fe), titanium (Ti), aluminum (Al), chromium (Cr), zirconium (Zr), gallium (Ga) or It may include any one or more of tungsten (W).
상기 리튬 금속산화물은 LiCoO2, LiMn2O4, LiMnO2, LiNiO2, 또는 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2일 수 있다.The lithium metal oxide may be LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , or LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 .
상기 단성분계 금속산화물은 마그네늄산화물, 알루미늄산화물, 지르코늄산화물 또는 티타늄산화물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. The monocomponent metal oxide may include any one or more of magnesium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide or titanium oxide.
상기 리튬 금속산화물은 LiMn2O4이고, 단성분계 금속산화물은 마그네슘산화물일 수 있다.The lithium metal oxide may be LiMn 2 O 4 , and the monocomponent metal oxide may be magnesium oxide.
본 발명의 다른 관점은 에너지 저장장치에 관한 것이면, 상기 어너지 저장장치는 전술한 양극 활물질을 포함할 수 있다.If another aspect of the present invention relates to an energy storage device, the energy storage device may include the positive electrode active material described above.
본 발명의 또 다른 관점은 양극 활물질 제조방법에 관한 것이며, 상기 양극 활물질 제조방법은 리튬 금속산화물 분말을 준비하는 단계, 상기 리튬 금속산화물 분말을 수용액에 분산하고 금속수산화물을 생성시키는 단계, 상기 수용액에 에너지를 가해 상기 리튬 금속산화물의 결정립계로 상기 금속수산화물을 함침시키는 단계 및 상기 수용액에서 상기 금속수산화물이 함침된 리튬 금속산화물 분말을 분리하여 열처리하는 단계를 포함한다.Another aspect of the present invention relates to a method for producing a positive electrode active material, the method for preparing a positive electrode active material comprises the steps of preparing a lithium metal oxide powder, dispersing the lithium metal oxide powder in an aqueous solution to produce a metal hydroxide, in the aqueous solution Impregnating the metal hydroxide with a grain boundary of the lithium metal oxide by applying energy, and separating and heat-treating the lithium metal oxide powder impregnated with the metal hydroxide in the aqueous solution.
상기 리튬 금속산화물 분말을 준비하는 단계에서, 상기 리튬 금속산화물은 코발트(Co), 망간(Mn), 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 갈륨(Ga) 또는 텅스텐(W) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In the preparing of the lithium metal oxide powder, the lithium metal oxide is cobalt (Co), manganese (Mn), nickel (Ni), iron (Fe), titanium (Ti), aluminum (Al), chromium (Cr) , Zirconium (Zr), gallium (Ga) or tungsten (W) may include any one or more.
상기 리튬 금속산화물 분말을 준비하는 단계에서, 상기 리튬 금속산화물은 LiCoO2, LiMn2O4, LiMnO2, LiNiO2, 또는 LiNi1 /3Mn1 /3Co1 /3O2일 수 있다.In the step of preparing the lithium metal oxide powder, the lithium metal oxide may be LiCoO 2, LiMn 2 O 4, LiMnO 2, LiNiO 2, or LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2.
상기 리튬 금속산화물 분말을 수용액에 분산하고 금속수산화물을 생성시키는 단계는 리튬 금속산화물 분말이 분산된 수용액에 금속염과 알칼리를 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.Dispersing the lithium metal oxide powder in an aqueous solution and generating a metal hydroxide may include adding a metal salt and an alkali to an aqueous solution in which the lithium metal oxide powder is dispersed.
상기 알칼리는 NaOH, KOH, NH4OH 또는 우레아 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The alkali may include any one or more of NaOH, KOH, NH 4 OH or urea.
상기 리튬 금속산화물 분말을 수용액에 분산하고 금속수산화물을 생성시키는 단계에서, 상기 금속수산화물은 수산화마그네슘, 수산화티타늄, 수산화알루미늄 또느는 수산화지르코늄 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.In the dispersing the lithium metal oxide powder in an aqueous solution and producing a metal hydroxide, the metal hydroxide may include any one or more of magnesium hydroxide, titanium hydroxide, aluminum hydroxide or zirconium hydroxide.
상기 수용액에 에너지를 가해 상기 리튬 금속산화물의 결정립계로 상기 금속수산화물을 함침시키는 단계는 상기 수용액을 밀링하는 단계, 상기 수용액에 초음파를 가하는 단계 또는 열에너지를 가하는 단계 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.Impregnating the metal hydroxide with the grain boundaries of the lithium metal oxide by applying energy to the aqueous solution may include any one or more of milling the aqueous solution, applying an ultrasonic wave to the aqueous solution, or applying thermal energy.
상기 수용액에서 상기 금속수산화물이 함침된 리튬 금속산화물 분말을 분리하여 열처리하는 단계에서, 상기 열처리는 300℃~900℃에서 수행될 수 있다.
In the step of separating and heat-treating the lithium metal oxide powder impregnated with the metal hydroxide in the aqueous solution, the heat treatment may be performed at 300 ℃ ~ 900 ℃.
본 발명의 양극 활물질, 이를 포함하는 에너지 저장장치 및 그 제조방법은 리튬 금속산화물의 결정립계에 단성분계 금속산화물을 함침시킴으로서 리튬 금속산화물로부터의 금속원자의 석출을 방지하여, 용량저하를 방지하고 에너지 저장장치의 수명을 늘릴 수 있으며, 고온에서도 장시간 사용할 수 있는 효과가 있다.
The positive electrode active material of the present invention, an energy storage device including the same, and a method of manufacturing the same, impregnate a single component metal oxide in the grain boundary of the lithium metal oxide to prevent precipitation of metal atoms from the lithium metal oxide, thereby preventing capacity reduction and saving energy. The life of the device can be extended, and it can be used for a long time even at high temperature.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질을 사용한 하이브리드 커패시터의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질 제조방법을 나타낸 흐름도와 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating the operation of a hybrid capacitor using a cathode active material according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are a flow chart and a conceptual diagram showing a method of manufacturing a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention, respectively.
본 발명은 양극 활물질에 관한 것이다. 상기 양극 활물질은 리튬 금속산화물과 상기 리튬 금속산화물의 결정립계에 존재하는 단성분계 금속산화물을 포함한다. 본 발명에서 단성분계 금속산화물은 하나의 금속원자가 존재하는 금속산화물(리튬산화물을 제외)을 말한다. The present invention relates to a positive electrode active material. The positive electrode active material includes a monometallic metal oxide present at a grain boundary of lithium metal oxide and the lithium metal oxide. In the present invention, the monocomponent metal oxide refers to a metal oxide (except lithium oxide) in which one metal atom exists.
상기 리튬 금속산화물은 리튬(Li)을 포함하는 금속산화물이다. 리튬 외에 하나 이상의 금속을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 리튬(Li) 외에 코발트(Co), 망간(Mn), 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 갈륨(Ga) 또는 텅스텐(W) 중 어느 하나 이상을 포함하는 리튬 금속산화물일 수 있다. 보다 구체적으로, LiCoO2, LiMn2O4, LiMnO2, LiNiO2, 또는 LiNi1 /3Mn1 /3Co1 /3O2일 수 있다.The lithium metal oxide is a metal oxide containing lithium (Li). In addition to lithium, it may further include one or more metals. Specifically, in addition to lithium (Li), cobalt (Co), manganese (Mn), nickel (Ni), iron (Fe), titanium (Ti), aluminum (Al), chromium (Cr), zirconium (Zr), gallium ( Ga) or tungsten (W) may be a lithium metal oxide containing at least one. More specifically, LiCoO 2, may be LiMn 2 O 4, LiMnO 2, LiNiO 2, or LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2.
리튬 금속산화물을 포함하는 금속산화물은 단결정으로 존재할 수도 있으나, 통상 다결정(폴리크리스탈) 상태로 존재한다. 즉, 단결정과 그 단결정 간의 경계의 결정립계로 이루어져 있다. 리튬 금속산화물로 이루어진 양극 활물질은 통상 고온에서 그 리튬 금속산화물을 구성하는 금속원자(리튬 원자 이외의 금속원자)가 석출되어 용량이 저하되는 문제점이 존재한다. 이를 방지하기 위해 본 발명의 양극 활물질은 리튬 금속산화물의 결정립계에 단성분계 금속산화물이 함침된 구조를 취한다. 즉, 단성분계 금속산화물이 리튬 금속산화물을 구성하는 금속원자의 석출을 막아주어 에너지 저장장치의 수명을 향상시킬 수 있다.Metal oxides including lithium metal oxides may exist as single crystals, but are usually present in a polycrystalline (polycrystal) state. That is, it consists of a grain boundary of the boundary between a single crystal and the single crystal. In the positive electrode active material made of lithium metal oxide, there is a problem in that the metal atoms (metal atoms other than lithium atoms) constituting the lithium metal oxide are usually precipitated at a high temperature and thus the capacity thereof is lowered. In order to prevent this, the positive electrode active material of the present invention has a structure in which the monocomponent metal oxide is impregnated in the grain boundary of the lithium metal oxide. That is, the mono-component metal oxide can prevent the deposition of metal atoms constituting the lithium metal oxide to improve the life of the energy storage device.
단성분계 금속산화물에 제한은 없으나, 내열성 향상을 위해서 융점이 높은 금속산화물이 바람직하다. 예를 들어, 마그네슘산화물(마그네시아, MgO), 알루미늄산화물(알루미나, Al2O3), 지르코늄산화물(지르코니아, ZrO2) 또는 티타늄산화물(티타니아, TiO2) 중 어느 하나 이상을 포함하는 금속산화물일 수 있다.
Although there is no limitation on the monocomponent metal oxide, a metal oxide having a high melting point is preferable for improving heat resistance. For example, a metal oxide including any one or more of magnesium oxide (magnesia, MgO), aluminum oxide (alumina, Al 2 O 3 ), zirconium oxide (zirconia, ZrO 2 ) or titanium oxide (titania, TiO 2 ) Can be.
본 발명의 다른 관점은 에너지 저장장치에 관한 것이다. 즉, 상술한 양극 활물질을 이용한 하이브리드 커패시터, 이차전지 등의 에너지 저장장치에 사용될 수 있다. Another aspect of the invention relates to an energy storage device. That is, it may be used in an energy storage device such as a hybrid capacitor and a secondary battery using the cathode active material described above.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질을 사용한 하이브리드 커패시터의 동작을 설명하기 위한 개념도이다. 도시된 것과 같이, 하이브리드 커패시터는 마이너스(-) 전극 물질과 플러스(+) 전극 물질이 서로 다른 물질로 형성된 비대칭 전극구조를 가질 수 있다. 이러한 하이브리드 커패시터의 마이너스 전극(102)으로 활성탄을 포함하는 물질을 사용할 수 있으며, 플러스 전극(104)은 그 결정립계에 단성분계 금속산화물이 존재하는 리튬 금속산화물로 이루어진 양극 활물질을 포함할 수 있다. 구체적으로 리튬(Li)을 포함하는 금속산화물(리튬 금속산화물)을 사용할 수 있다.1 is a conceptual diagram illustrating the operation of a hybrid capacitor using a cathode active material according to an embodiment of the present invention. As shown, the hybrid capacitor may have an asymmetric electrode structure in which the negative electrode material and the positive electrode material are formed of different materials. A material including activated carbon may be used as the
비대칭 전극구조를 가지는 하이브리드 커패시터는, 리튬 금속산화물을 포함하는 전극에서의 리튬 이온이 플러스 전극(104) 물질의 분자사이로 끼어들거나 추출되는 인터칼레이션(intercalation), 디인터칼레이션(deintercalation)에 의한 화학반응을 이용한 리튬 이온전지의 동작기작 및 전기이중층 커패시터 동작기작의 혼합 메커니즘으로 동작한다. A hybrid capacitor having an asymmetric electrode structure is formed by intercalation and deintercalation in which lithium ions in an electrode including a lithium metal oxide are intercalated or extracted between molecules of a
전기이중층이란 물체의 박막층에서 일측면과 타측면에 각각 양전하와 음전하가 연속적이고 면밀도가 같은 상태로 분포한 것으로 쌍극자(dipole)로 이루어진 이중층을 말한다. 마이너스 전극(102)에서는 전극표면과 전해질의 경계면에 전기이중층에 전하가 흡착되어 전기에너지를 저장하고, 탈착하여 에너지를 방출하는 원리를 이용한다. 플러스 전극(104)에서는 상술한 바와 같이 리튬이온의 인터칼레이션과 디인터칼레이션 과정을 통하여 리튬이온이 마이너스 전극에서 플러스 전극으로 이동하여 에너지를 저장하며, 플러스 전극에서 마이너스 전극으로 이동하여 에너지를 방출하는 것을 이용한다.An electric double layer is a bilayer composed of dipoles, in which positive and negative charges are continuously distributed on the one side and the other side in the thin film layer of an object, with the same surface density. In the
전해질로는, 리튬 이온전지의 메커니즘을 이용하기 위하여 리튬플로로포스페이트(Lithium Fluorophosphate, LiPF4), 리튬플로로보레이트(Lithium Fluoroborate, LiBF4), 리튬퍼클로레이트(Lithium Perchlorate, LiClO4) 등과 같은 리튬염 중 어느 하나 이상과 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, C3H4O3), 다이메틸카보네이트(dimethyl carbonate, C3H6O3), 또는 다이에틸카보네이트(diethyl carbonate, C5H10O3)와 같은 유기 용매를 사용할 수 있다.As an electrolyte, in order to use the mechanism of a lithium ion battery, lithium salts such as lithium fluorophosphate (Lithium Fluorophosphate, LiPF 4 ), lithium fluoroborate (Lithium Fluoroborate, LiBF 4), lithium perchlorate (LiClO 4 ), etc. Any one or more, such as ethylene carbonate (C 3 H 4 O 3 ), dimethyl carbonate (C 3 H 6 O 3 ), or diethyl carbonate (C 5 H 10 O 3 ) Organic solvents can be used.
전기이중층 커패시터의 메커니즘을 이용하기 위하여 수용액이나 유기계 전해질이 사용되나, 활성탄에 형성된 기공의 크기가 대략 2nm 인점을 고려하면, 염의 크기가 적당하여야만 우수한 충방전 특성과 고용량을 얻을 수 있다. 일 예에서, 전해질로 프로필렌카보네이트(Propylene Carbonate, C4H6O3) 또는 아세토나이트릴(Acetonitrile, CH3CN)에 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(Tetraethylammonium Tetrafluoroborate, C8H20NBF4)등의 테트라알킬암모늄염(Tetraalkylammonium Salt)을 용해시켜 사용할 수 있으며, 다른 예에서, 전해질로 부틸메틸피롤리디늄(Butyl Methyl Pyrrolidinium), 에틴메틸피롤리디늄(Ethyne Methyl Pyrrolidinium), 다이메틸피롤리디늄(Dimethyl Pyrrolidinium) 등의 피롤리디늄계염으로 된 용질을 프로필렌 카보네이트(Propylene Carbonate), 에틸렌 카보네이트(Ethylene Carbonate), 다이메틸 카보네이트(Dimethyl Carbonate), 다이에틸 카보네이트(Diethyl Carbonate), 및 에틸메틸카보네이트(Ethyl Methyl Carbonate) 중 어느 하나 이상을 포함하는 용매에 혼합하여 사용할 수 있다. 다른 예에서, 전해질로 부틸메틸피롤리디늄, 에틴메틸피롤리디늄, 다이메틸피롤리디늄등의 피롤리디늄계염으로 된 용질과, 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 에틸메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 헥사플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 퍼클로레이트 등의 암모늄계염이 혼합된 용질을 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 다이메틸 카보네이트, 다이에틸 카보네이트, 및 에틸메틸카보네이트 중 어느 하나 이상을 포함하는 용매에 혼합하여 사용할 수 있다. In order to use the mechanism of the electric double layer capacitor, an aqueous solution or an organic electrolyte is used, but considering the pore size of the activated carbon is approximately 2nm, excellent charge and discharge characteristics and high capacity can be obtained only when the salt size is appropriate. In one example, tetraethylammonium Tetrafluoroborate (C 8 H 2 0NBF 4 ), or the like in propylene carbonate (Propylene Carbonate, C 4 H 6 O 3 ) or acetonitrile (Acetonitrile, CH 3 CN) as an electrolyte Tetraalkylammonium Salt can be dissolved and used. In another example, butylmethylpyrrolidinium, ethynmethylpyrrolidinium, and dimethylpyrrolidinium (Dimethyl) are used as electrolytes. Solutes made of pyrrolidinium salts, such as Pyrrolidinium), include propylene carbonate (Propylene Carbonate), ethylene carbonate (Ethylene Carbonate), dimethyl carbonate (Dimethyl Carbonate), diethyl carbonate (Ethyl Methyl Carbonate) It can be used by mixing in the solvent containing any one or more of). In another example, the electrolyte is a solute made of pyrrolidinium salts such as butylmethylpyrrolidinium, ethynmethylpyrrolidinium and dimethylpyrrolidinium, and tetraethylammonium tetrafluoroborate and ethylmethylimidazolium tetrafluoro. Solute mixed with ammonium salts such as borate, tetraethylammonium hexafluoroborate, tetraethylammonium perchlorate and the like is added to a solvent containing at least one of propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethylmethyl carbonate. It can be mixed and used.
이러한 하이브리트 커패시터는 상술한 바와 같이 리튬이온 전지의 메커니즘과 전기이중층 커패시터의 메커니즘을 모두 사용하는 바, 상술한 리튬이온 전지의 전해질과 전기이중층 커패시터의 전해질을 혼합하여 사용할 수 있다.As described above, the hybrid capacitor uses both the mechanism of the lithium ion battery and the mechanism of the electric double layer capacitor, and thus, the electrolyte of the lithium ion battery and the electrolyte of the electric double layer capacitor may be mixed and used.
상술한 하이브리드 커패시터를 큰 충전용량, 충전전압을 가지도록 복수 개의 슈퍼 커패시터를 직렬로 연결하여 방전전압을 증가시키거나, 병렬로 연결하여 용량을 증가시킬 수 있다. 또한 전압증가 및 용량증가를 위하여 복수 개의 슈퍼 커패시터를 직병렬로 연결한 슈퍼커패시터 모듈을 형성하여 사용하는 것도 가능하다.The plurality of supercapacitors may be connected in series so as to have a large charging capacity and a charging voltage in series to increase the discharge voltage, or may be connected in parallel to increase the capacity. In addition, it is also possible to form and use a supercapacitor module in which a plurality of supercapacitors are connected in parallel in order to increase voltage and increase capacity.
상술한 전극 재료 및 전해질을 사용하는 하이브리드 커패시터는 누설전류(leakage current)가 거의 없어 에너지의 보존능력이 우수하며 무엇보다 고온에서의 리튬 금속산화물을 구성하는 금속원자의 석출이 억제되어 사막지역, 열대지역 등에서 사용하더라도 용량 특성의 변화없이 장기간 사용할 수 있다.
Hybrid capacitors using the above-mentioned electrode materials and electrolytes have almost no leakage current, and thus have excellent energy storage capability, and above all, precipitation of metal atoms constituting lithium metal oxide at high temperature is suppressed, and therefore, desert areas and tropical areas. Even if used in the area, it can be used for a long time without changing the capacity characteristics.
본 발명의 다른 관점은 양극 활물질의 제조방법에 관한 것이다. 도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 활물질 제조방법을 나타낸 흐름도와 개념도이다.Another aspect of the invention relates to a method for producing a cathode active material. 2 and 3 are a flow chart and a conceptual diagram showing a method of manufacturing a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention, respectively.
도 2 및 도 3을 참조하면, 먼저 리튬 금속산화물 분말을 준비한다(S102). 상기 리튬 금속산화물은 전술한 것과 같이 리튬(Li)을 포함하는 금속산화물이다. 리튬 외에 하나 이상의 금속을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 리튬(Li) 외에 코발트(Co), 망간(Mn), 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 갈륨(Ga) 또는 텅스텐(W) 중 어느 하나 이상을 포함하는 리튬 금속산화물일 수 있다. 보다 구체적으로, LiCoO2, LiMn2O4, LiMnO2, LiNiO2, 또는 LiNi1 /3Mn1 /3Co1 /3O2일 수 있다.2 and 3, first, a lithium metal oxide powder is prepared (S102). The lithium metal oxide is a metal oxide containing lithium (Li) as described above. In addition to lithium, it may further include one or more metals. Specifically, in addition to lithium (Li), cobalt (Co), manganese (Mn), nickel (Ni), iron (Fe), titanium (Ti), aluminum (Al), chromium (Cr), zirconium (Zr), gallium ( Ga) or tungsten (W) may be a lithium metal oxide containing at least one. More specifically, LiCoO 2, may be LiMn 2 O 4, LiMnO 2, LiNiO 2, or LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2.
리튬 금속산화물 분말은 고상합성법, 기상합성법, 액상침전법, 졸겔(sol-gel)법 등의 다양한 방법에 의해 제조할 수 있다. 예를 들어, 양극 활물질로 LiMn2O4를 사용하는 경우, 망간 나이트레이트 또는 망간 아세테이트와 리튬 하이드록사이드(LiOH) 및 암모니아수(NH4OH)를 이용하는 졸겔법에 의해 LiMn2O4 분말을 제조할 수 있다.The lithium metal oxide powder may be prepared by various methods such as solid phase synthesis, vapor phase synthesis, liquid phase precipitation, and sol-gel. For example, when LiMn 2 O 4 is used as the positive electrode active material, LiMn 2 O 4 powder is prepared by a sol-gel method using manganese nitrate or manganese acetate, lithium hydroxide (LiOH), and ammonia water (NH 4 OH). can do.
다음, 리튬 금속산화물 분말을 수용액에 분산하고 금속수산화물을 생성시킨다(S104). 금속수산화물은 최종적으로 리튬 금속산화물의 결정립계에 함침시키고자 하는 단성분계 금속산화물에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 단성분계 금속산화물이 마그네슘산화물이라면 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 단성분계 금속산화물이 티타늄산화물이면 수산화티타늄(Ti(OH)4), 단성분계 금속산화물이 알루미늄산화물이면 수산화알루미늄(Al(OH)3)일 수 있고, 단성분계 금속산화물이 지르코늄산화물이면 수산화지르코늄(Zr(OH)4)일 수 있다. 또는 상기 금속수산화물 중 어느 2개 이상을 포함할 수도 있다. Next, the lithium metal oxide powder is dispersed in an aqueous solution to produce a metal hydroxide (S104). The metal hydroxide may be determined depending on the monocomponent metal oxide to be finally impregnated into the grain boundary of the lithium metal oxide. For example, magnesium hydroxide (Mg (OH) 2 ) if the monocomponent metal oxide is magnesium oxide, titanium hydroxide (Ti (OH) 4 ) if the monocomponent metal oxide is titanium oxide, and aluminum hydroxide if the monocomponent metal oxide is aluminum oxide (Al (OH) 3 ), and may be zirconium hydroxide (Zr (OH) 4 ) when the monocomponent metal oxide is zirconium oxide. Alternatively, any two or more of the metal hydroxides may be included.
금속수산화물 생성을 위해 리튬 금속산화물 분말이 분산된 수용액에 금속염과 알칼리를 첨가할 수 있다. 예를 들어, 수산화마그네슘을 생성시키고자 하는 경우에는 MgCl2, Mg(NO3)2 또는 MgSO4 중 어느 하나 이상을 포함하는 금속염을 사용할 수 있고, 알칼리로는 NaOH, KOH, NH4OH 또는 우레아 중 어느 하나 이상을 포함하는 알칼리를 사용할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 수산화티타늄을 생성시키고자 하는 경우에는 금속염으로 TiCl4, Ti(NO3)4, Ti(SO4)2 등을 사용할 수 있고 알칼리로는 NaOH, KOH, NH4OH 또는 우레아 중 어느 하나 이상을 포함하는 알칼리를 사용할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 수산화지르코늄을 생성시키고자 하는 경우에는 금속염으로 ZrCl4, Zr(NO3)2, Zr(NO3)4, Zr(SO4)2 등을 사용할 수 있고 NaOH, KOH, NH4OH 또는 우레아 중 어느 하나 이상을 포함하는 알칼리를 사용할 수 있다.To produce metal hydroxides, metal salts and alkalis may be added to the aqueous solution in which the lithium metal oxide powder is dispersed. For example, in order to produce magnesium hydroxide, a metal salt including any one or more of MgCl 2 , Mg (NO 3 ) 2, or MgSO 4 may be used, and the alkali may be NaOH, KOH, NH 4 OH, or urea. An alkali containing any one or more of these can be used. In another example, in order to produce titanium hydroxide, TiCl 4 , Ti (NO 3 ) 4 , Ti (SO 4 ) 2 , or the like may be used as the metal salt, and the alkali may be NaOH, KOH, NH 4 OH, or urea. An alkali containing any one or more of these can be used. For another example, to produce zirconium hydroxide, ZrCl 4 , Zr (NO 3 ) 2 , Zr (NO 3 ) 4 , Zr (SO 4 ) 2, etc. may be used as the metal salt, and NaOH, KOH, NH Alkali containing at least one of 4 OH or urea can be used.
다음, 상기 수용액에 에너지를 가해 상기 리튬 금속산화물의 결정립계로 상기 금속수산화물을 함침시킨다(S106).Next, energy is applied to the aqueous solution to impregnate the metal hydroxide with the grain boundaries of the lithium metal oxide (S106).
수용액에 에너지를 가하는 방법에 제한은 없다. 예를 들어, 초음파를 가하는 방법, 볼밀하는 방법 또는 열에너지를 가하는 방법 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 초음파를 가하는 방법은 sonicator, sonicleaner 등을 이용할 수 있으며, 볼밀하는 방법은 수mm 내지 수십mm의 볼을 사용하고, 수십 내지 수백 rpm의 회전속도, 1시간 내지 수백시간 동안 볼밀하는 방법을 사용할 수 있다. 그 밖에 핫 플레이트에 올려놓고 열에너지를 가할 수도 있으며, 스터러를 이용하여 수용액에 와류를 형성시킬 수도 있다.There is no limitation on the method of applying energy to the aqueous solution. For example, the method may include any one or more of a method of applying ultrasonic waves, a method of ball milling, or a method of applying thermal energy. The method of applying the ultrasonic wave may use a sonicator, sonicleaner, and the like, and the ball mill may use a ball of several mm to several tens of mm, a rotation speed of several tens to several hundred rpm, and a ball mill for one to hundred hours. . In addition, heat energy may be applied to a hot plate and a vortex may be formed in the aqueous solution using a stirrer.
이와 같이 수용액에 에너지를 가함으로서, 리튬 금속산화물의 결정립(202) 간의 경계인 결정립계(204)에 금속수산화물(300)을 함침시킬 수 있다.By applying energy to the aqueous solution in this manner, the
다음, 수용액에서 금속수산화물이 함침된 리튬 금속산화물 분말을 분리하여 열처리한다(S108).Next, the lithium metal oxide powder impregnated with the metal hydroxide in an aqueous solution is separated and heat treated (S108).
열처리를 통해 금속수산화물(300)에서 OH를 H2O 등으로 탈리시키고 금속산화물(300')로 변형시킬 수 있다. 이를 위해 금속수산화물이 금속산화물로 상변화할 수 있는 온도 이상으로 열처리를 할 수 있다. 예를 들어, 300℃ 이상으로 열처리할 수 있으며, 바람직하게는 300℃~900℃, 보다 바람직하게는 300℃~600℃ 범위에서 열처리할 수 있다. 상기 열처리 온도범위는 금속수산화물의 TGA(thermogravimetric Analysis), DSC(Differential Scanning Calorimeter) 데이터 등으로부터 보다 명확히 결정할 수 있다. 즉, 300℃~600℃ 온도범위에서 열처리함으로써 수산화마그네슘, 수산화티타늄, 수산화알루미늄, 수산화지르코늄 등으로부터 불순물, H2O 등이 배출시켜 리튬 금속산화물의 결정립계에 마그네슘산화물, 티타늄산화물, 알루미늄산화물, 지르코늄산화물 등이 남도록 할 수 있다. 또는 상기 금속산화물 중 어느 두개 이상이 남도록 할 수도 있다.Through heat treatment, OH may be released from the
열처리는 통상의 소성로 또는 소결로(furnace)에서 수행할 수 있으며, 공기분위기 또는 산소분위기에서 열처리할 수 있다.Heat treatment may be carried out in a conventional firing furnace or a furnace (furnace), and may be heat treated in an air atmosphere or an oxygen atmosphere.
이와 같이 제조된 양극 활물질을 이용하여 하이브리드 커패시터 등의 커패시터, 이차전지 등을 제조할 수 있으며 이를 각종 산업용, 가정용 전자기기에 이용할 수 있다.
Capacitors such as hybrid capacitors, secondary batteries, etc. may be manufactured using the cathode active material prepared as described above, and may be used for various industrial and home electronic devices.
102 : 마이너스 전극 104 : 플러스 전극
202 : 결정립 204 : 결정립계
300 : 금속수산화물 300' : 금속산화물102
202: grain 204: grain boundary
300: metal hydroxide 300 ': metal oxide
Claims (14)
상기 리튬 금속산화물의 결정립계에 존재하는 단성분계 금속산화물
을 포함하는 양극 활물질.
Lithium metal oxides; And
Monocomponent metal oxides present in the grain boundaries of the lithium metal oxides
A positive electrode active material comprising a.
상기 리튬 금속산화물은 코발트(Co), 망간(Mn), 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 갈륨(Ga) 또는 텅스텐(W) 중 어느 하나 이상을 포함하는 금속산화물인 양극 활물질.
The method of claim 1,
The lithium metal oxide may be cobalt (Co), manganese (Mn), nickel (Ni), iron (Fe), titanium (Ti), aluminum (Al), chromium (Cr), zirconium (Zr), gallium (Ga) or A positive electrode active material which is a metal oxide containing any one or more of tungsten (W).
상기 리튬 금속산화물은 LiCoO2, LiMn2O4, LiMnO2, LiNiO2, 또는 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2인 양극 활물질.
The method of claim 1,
The lithium metal oxide is LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , or LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 positive electrode active material.
상기 단성분계 금속산화물은 마그네늄산화물, 알루미늄산화물, 지르코늄산화물 또는 티타늄산화물 중 어느 하나 이상을 포함하는 양극 활물질.
The method of claim 1,
The monocomponent metal oxide may include at least one of magnesium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, and titanium oxide.
상기 리튬 금속산화물은 LiMn2O4이고, 단성분계 금속산화물은 마그네슘산화물인 양극 활물질.
The method of claim 1,
The lithium metal oxide is LiMn 2 O 4 , the monocomponent metal oxide is a magnesium oxide positive electrode active material.
An energy storage device comprising the cathode active material of any one of claims 1 to 5.
상기 리튬 금속산화물 분말을 수용액에 분산하고 금속수산화물을 생성시키는 단계;
상기 수용액에 에너지를 가해 상기 리튬 금속산화물의 결정립계로 상기 금속수산화물을 함침시키는 단계; 및
상기 수용액에서 상기 금속수산화물이 함침된 리튬 금속산화물 분말을 분리하여 열처리하는 단계
를 포함하는 양극 활물질 제조방법.
Preparing a lithium metal oxide powder;
Dispersing the lithium metal oxide powder in an aqueous solution to produce a metal hydroxide;
Impregnating the metal hydroxide with a grain boundary of the lithium metal oxide by applying energy to the aqueous solution; And
Separating and heat-treating the lithium metal oxide powder impregnated with the metal hydroxide in the aqueous solution
Cathode active material manufacturing method comprising a.
상기 리튬 금속산화물 분말을 준비하는 단계에서, 상기 리튬 금속산화물은 코발트(Co), 망간(Mn), 니켈(Ni), 철(Fe), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 갈륨(Ga) 또는 텅스텐(W) 중 어느 하나 이상을 포함하는 금속산화물인 양극 활물질 제조방법.
The method of claim 7, wherein
In the preparing of the lithium metal oxide powder, the lithium metal oxide is cobalt (Co), manganese (Mn), nickel (Ni), iron (Fe), titanium (Ti), aluminum (Al), chromium (Cr) , Zirconium (Zr), gallium (Ga) or tungsten (W) metal oxide containing any one or more methods of producing a positive electrode active material.
상기 리튬 금속산화물 분말을 준비하는 단계에서, 상기 리튬 금속산화물은 LiCoO2, LiMn2O4, LiMnO2, LiNiO2, 또는 LiNi1 /3Mn1 /3Co1 /3O2인 양극 활물질 제조방법.
The method of claim 7, wherein
In the step of preparing the lithium metal oxide powder, wherein the lithium metal oxide is LiCoO 2, LiMn 2 O 4, LiMnO 2, LiNiO 2, or LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 of the positive electrode active material .
상기 리튬 금속산화물 분말을 수용액에 분산하고 금속수산화물을 생성시키는 단계는 리튬 금속산화물 분말이 분산된 수용액에 금속염과 알칼리를 첨가하는 단계를 포함하는 양극 활물질 제조방법.
The method of claim 7, wherein
Dispersing the lithium metal oxide powder in an aqueous solution and producing a metal hydroxide may include adding a metal salt and an alkali to an aqueous solution in which the lithium metal oxide powder is dispersed.
상기 알칼리는 NaOH, KOH, NH4OH 또는 우레아 중 어느 하나 이상을 포함하는 양극 활물질 제조방법.
The method of claim 10,
The alkali is a positive electrode active material manufacturing method comprising any one or more of NaOH, KOH, NH 4 OH or urea.
상기 리튬 금속산화물 분말을 수용액에 분산하고 금속수산화물을 생성시키는 단계에서, 상기 금속수산화물은 수산화마그네슘, 수산화티타늄, 수산화알루미늄 또느는 수산화지르코늄 중 어느 하나 이상을 포함하는 양극 활물질 제조방법.
The method of claim 7, wherein
Dispersing the lithium metal oxide powder in an aqueous solution and producing a metal hydroxide, wherein the metal hydroxide comprises any one or more of magnesium hydroxide, titanium hydroxide, aluminum hydroxide or zirconium hydroxide.
상기 수용액에 에너지를 가해 상기 리튬 금속산화물의 결정립계로 상기 금속수산화물을 함침시키는 단계는 상기 수용액을 밀링하는 단계, 상기 수용액에 초음파를 가하는 단계 또는 열에너지를 가하는 단계 중 어느 하나 이상을 포함하는 양극 활물질 제조방법.
The method of claim 7, wherein
Impregnating the metal hydroxide with the grain boundaries of the lithium metal oxide by applying energy to the aqueous solution may include preparing at least one of milling the aqueous solution, applying ultrasonic waves to the aqueous solution, and applying thermal energy. Way.
상기 수용액에서 상기 금속수산화물이 함침된 리튬 금속산화물 분말을 분리하여 열처리하는 단계에서, 상기 열처리는 300℃~900℃에서 수행되는 양극 활물질 제조방법.
The method of claim 7, wherein
In the step of separating and heat treating the lithium metal oxide powder impregnated with the metal hydroxide in the aqueous solution, the heat treatment is performed at 300 ℃ ~ 900 ℃.
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CN110649230A (en) * | 2018-06-27 | 2020-01-03 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Nano rivet core-shell structure cathode material and preparation method thereof |
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CN110649230B (en) * | 2018-06-27 | 2023-07-25 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Nanometer rivet core-shell structure anode material and preparation method thereof |
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